智能運檢電動汽車巡檢自動控制系統(tǒng)設(shè)計

官國飛，楊慶勝，王成亮，蔣峰

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211100）

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，電動汽車作為一種新能源汽車逐漸成為汽車新的發(fā)展方向[1-2]。智能電動汽車在多個領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，具有節(jié)約能源、環(huán)境影響較小等優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用前景[3-4]。

然而，電動汽車在巡檢方面還存在一些問題，諸如一些人為因素使電動汽車無法安全行駛等。對于電動汽車的自動巡檢，傳統(tǒng)巡檢自動控制系統(tǒng)在對電動汽車進行巡檢時，由于缺少有效的路徑識別和無線調(diào)試，導(dǎo)致控制效率較低，控制能耗較高，不能實現(xiàn)電動汽車的自動巡檢[5-6]。

基于此，該文設(shè)計了智能運檢電動汽車巡檢自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過設(shè)計硬件，實現(xiàn)對電動汽車巡檢的自動控制，軟件設(shè)計中給出系統(tǒng)的控制流程，擴展路徑識別和無線調(diào)試功能，提升電動汽車的巡檢效率和控制效率，最后通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)實驗對比，驗證該文設(shè)計的智能運檢電動汽車巡檢自動控制系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)選用三星公司生產(chǎn)的MK60FX512Q15 單片機作為控制芯片，該單片機可實時控制電動汽車的電機和控制器。其中，主要設(shè)置了四個有效模塊對其進行控制。即電源模塊、電磁檢測模塊、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器模塊、功率分析儀模塊。通過硬件設(shè)計，實現(xiàn)對電動汽車電機和控制器的通信和控制[7]。硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源模塊

電動汽車巡檢自動控制硬件系統(tǒng)的各個模塊在運行時，均需要不同的工作電壓，電源模塊要向各類器件提供可靠、穩(wěn)定性較高的工作電壓。電源電路主要采用電池供電，電壓最高可達9.6 V，電源電路的工作電壓為4.9 V，工作電流為3.8 A，為電磁檢測模塊、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器模塊、功率分析儀模塊提供4.2 V、3.8 V、3.3 V 的電壓，向各模塊供電的芯片分別由三星公司、TI 公司、SIMENS 公司生產(chǎn)[8-9]。電源電路圖如圖2 所示。

根據(jù)圖2 可知，當電動汽車中電機驅(qū)動時，電源電路中工作電壓和工作電流會發(fā)生較大變化，會對硬件系統(tǒng)中其他模塊產(chǎn)生干擾和影響。因此，電源需要向電動汽車的電機單獨供電[10-12]。

圖2 電源電路圖

1.2 電磁檢測模塊

在電動汽車巡檢時，根據(jù)電磁學(xué)原理在電機導(dǎo)線中通入3.3 A 的驅(qū)動電流，當電機導(dǎo)線周圍放置傳感器時，傳感器中會產(chǎn)生一定大小的感應(yīng)電動勢，放置傳感器的方向不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也不同。為了獲得較高的感應(yīng)電動勢，需要調(diào)整傳感器的放置方向。在調(diào)整傳感器方向時，注意感應(yīng)信號的強弱，如果發(fā)現(xiàn)感應(yīng)信號比較微弱，在電磁檢測模塊中設(shè)置電流反饋放大器進行放大，由于受到一定干擾，電流反饋放大器在進行放大的同時，還要進行濾波、檢波處理。電磁檢測電路中設(shè)有感應(yīng)信號輸入端口和輸出端口，輸出端口輸出經(jīng)過處理后的電磁信號，電磁檢測模塊主要向電機輸出電磁信號[13-14]。電磁檢測電路如圖3 所示。

圖3 電磁檢測電路

1.3 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器模塊

在電動汽車進行自動化巡檢時，通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，電機需不斷調(diào)節(jié)輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩性能，該文設(shè)計中采用JN338 數(shù)字式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，該款轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器為傳遞類傳感器，在物理參數(shù)中屬于應(yīng)變型，結(jié)構(gòu)主要包括應(yīng)變片法蘭盤和接收器，兩種結(jié)構(gòu)互相獨立，間隔通常為2～6 mm，在安裝上較為簡單，直接將應(yīng)變片法蘭盤安裝在電機軸承上，在電機進行驅(qū)動時，應(yīng)變片法蘭盤由于受到驅(qū)動力影響會產(chǎn)生一定的形變，通過電磁檢測模塊中的電流反饋放大器，將形變轉(zhuǎn)換為電信號，并進行濾波、檢波、放大處理，處理完成后的電信號轉(zhuǎn)變成高頻信號，通過SMT 貼片式天線發(fā)射到轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的接收器上，接收器接收后對高頻信號進行處理，并將處理完的高頻信號發(fā)送到功率分析儀上。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器在工作時，不需要連接電機導(dǎo)線，其可以獨立運行[15]。

1.4 功率分析儀模塊

控制系統(tǒng)功率分析儀用來測試電動汽車電機的控制效率和功率，完成感應(yīng)信號、電信號、高頻信號的測量和分析，功率分析儀的型號為AN87500，該款功率分析儀具有6 通道單元配置，可支持多種接線方式，分別為單相兩線、單相三線、三相三線、三相四線，單通道可測量電機電流，功率分辨率最小為0.1 Hz，功率測量帶寬為10 Hz～150 kHz[16]。

功率分析儀通過接入控制系統(tǒng)的電源電路，使采樣頻率、感應(yīng)信號頻率、高頻信號頻率相同，以此提升諧波測量結(jié)果的準確性。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器將電動汽車電機中的大電流信號變換為小電流信號，然后連接到功率分析儀上，功率分析儀采用變頻電量變送器直接連接電機回路。電機回路中的輸入功率影響著電動汽車電機的損耗，功率因數(shù)越大，電機的損耗逐漸增大；功率因數(shù)越小，電機的損耗也隨之減小。功率分析儀通過降低電機輸入端直流母線上的電壓、電流，減小電動汽車電機的功率因數(shù)，從而降低電動汽車電機的損耗。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件為電動汽車巡檢自動控制系統(tǒng)提供硬件支持，結(jié)合軟件設(shè)計可以測試電動汽車電機的性能。在設(shè)計控制系統(tǒng)的軟件時，采用狀態(tài)函數(shù)切換方式實現(xiàn)電動汽車自動化巡檢的控制，通過對電動汽車進行路徑識別、電機控制、無線調(diào)試，完成對電動汽車速度和方向的自動化控制。智能運檢電動汽車巡檢自動控制系統(tǒng)的程序流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

首先，在軟件設(shè)計中進行路徑識別。為了保證電動汽車巡檢的可靠性和安全性，需要識別路徑，路徑識別采用圖像識別和超聲波檢測識別方式。通過圖像識別得到像素為80×120 的圖像，利用OV7725數(shù)字攝像頭對其進行二值化處理，處理后的圖像采用邊緣掃描的方法識別，前五行邊線如果沒有出現(xiàn)丟失情況，采用邊緣跟蹤方法對邊線進行識別，如果邊線出現(xiàn)丟失情況，則采用邊緣掃描方法對其進行識別和提取，將前五行邊線和五行后邊線的識別和提取結(jié)果上傳到軟件分析程序中，等待分析程序進行分析。邊緣跟蹤方法和邊緣掃描方法與邊緣檢測法相比，抗干擾能力更好，運行速度更快，可以有效濾除電動汽車在巡檢過程中受到的干擾。圖像識別中除了邊線識別外，還需進行中線識別，在中線識別時，需要具體區(qū)分出邊線丟失與不丟失的情況。如果不丟失，采用平移法識別中線，如果邊線丟失，將最后一行的邊線作為中線，并采用中點法進行識別，如果邊界上的中線全部丟失，以第一行邊線作為中線，進行平移。圖像識別完成后，采用超聲波檢測法進行識別。超聲波檢測識別方式是利用超聲波的傳輸速度，在將聲波發(fā)射出去后，由傳播距離和傳播速度得出聲波的傳播時間，以此進行路徑識別。

然后對電機進行控制。路徑識別完成后進行電機控制，電機控制包括速度控制和方向控制，電動汽車在進行巡檢時，選擇直流電機，電機的工作電壓為6.8 V，采用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測量電機的實際速度，并與標準速度進行對比。對電機速度進行控制時，路徑的曲率會影響電動汽車的行駛速度，可根據(jù)路徑中邊線的分布情況實現(xiàn)對電機速度的實時控制，為了提高對電機速度控制的效果，可調(diào)節(jié)路徑中線斜率的控制速度，實現(xiàn)電機速度的最優(yōu)控制。方向控制較為簡單，主要通過電源電路變換電機中電流的方向，實現(xiàn)對電動汽車行駛方向的控制。

最后進行無線調(diào)試。完成路徑識別和電機控制后，對識別結(jié)果和控制結(jié)果進行無線調(diào)試，調(diào)試過程中注意電動汽車電機的運行狀態(tài)和控制參數(shù)的變化，調(diào)試完成后，顯示運行效果和控制參數(shù)。

3 實驗研究

為了驗證該文設(shè)計的智能運檢電動汽車巡檢自動控制系統(tǒng)的有效性，通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行實驗對比，驗證該文系統(tǒng)的有效性。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)對電動汽車的自動化巡檢，采用了一種能量回饋技術(shù)，該種技術(shù)為共用電網(wǎng)交流電源，該技術(shù)沒有保持電壓同相位和幅值，并且缺少對電機的路徑識別和無線調(diào)試，導(dǎo)致電動汽車巡檢自動控制系統(tǒng)的控制效率低、控制難度大，而該文設(shè)計的智能運檢電動汽車巡檢自動控制系統(tǒng)，除了采用能量回饋技術(shù)外，還進行了路徑識別、電機控制以及無線調(diào)試，為了對比傳統(tǒng)系統(tǒng)與該文系統(tǒng)的控制效率，進行了實驗分析。

實驗相關(guān)參數(shù)設(shè)置：電動汽車電機的額定功率為72 kW，額定電流為350 A，電機標準轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，如果電機的實際轉(zhuǎn)速超過了標準轉(zhuǎn)速，通過提升電源頻率進行升速，根據(jù)以上設(shè)定的實驗參數(shù)進行實驗，實驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 控制效率實驗結(jié)果

分析圖5 可知，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制效率明顯低于該文系統(tǒng)的控制效率。隨著實驗中電機的轉(zhuǎn)速不斷改變，兩種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和控制效率發(fā)生了一定變化。

電動汽車在巡檢控制時，需要長時間驅(qū)動電機，驅(qū)動過程中會產(chǎn)生一定的能耗，能耗包括電磁損耗、硬件損耗、雜散損耗以及風(fēng)阻損耗等，能耗越高說明系統(tǒng)的控制效果越低，能耗越低證明系統(tǒng)的控制效果越好。因此，除了針對控制效率進行實驗外，還對系統(tǒng)的能耗進行了對比實驗。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 自動控制系統(tǒng)能耗實驗結(jié)果

由表1 中數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)中電動汽車驅(qū)動電機產(chǎn)生的能耗明顯高于該文系統(tǒng)。該文系統(tǒng)產(chǎn)生的最高能耗約為2.7 kW，證明傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制效果低于該文系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

該文通過系統(tǒng)硬件功能模塊的設(shè)計以及軟件實現(xiàn)流程的設(shè)計，完成了巡檢自動控制系統(tǒng)設(shè)計。并通過實驗驗證了該文系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制效率更高，控制效果更好，系統(tǒng)具有很好的有效性和穩(wěn)定性。